一种锂硫电池单元及锂硫电池极组和锂硫电池的制作方法

1.本实用新型涉及电池技术领域，特别涉及一种锂硫电池单元及锂硫电池极组和锂硫电池。


背景技术：

2.现今社会不断涌现的智能电子产品、电动汽车和储能系统需要开发高能量密度和高功率密度的电池。
3.锂硫电池是以硫元素作为电池阴极，金属锂作为阳极的一种锂电池。利用元素硫作为阴极材料，是因为其阴极材料元素硫理论比容量和电池理论比能量分别高达1675mah/g和2600wh/kg，远高于目前商业上广泛应用的磷酸铁锂、三元体系锂电池。更重要的一点是，元素硫是一种对环境友好的元素，对环境基本没有污染，同时，锂硫电池主要采用石油和天然气脱硫产生的副产品，价格十分低廉，并且电池在使用后低毒，回收利用的能耗较小。
4.锂硫电池(li-s)制造系统与锂离子电池(lib)类似，在电池制造方面，从lib到li-s电池的制造转换更简单和有效，从而使其更具商业可行性，锂硫电池的最新进展正在开始使其商业化成为可能。近年来,随着锂硫电池相关技术的不断突破，锂硫电池性能得到显著改善,成为最具竞争力的高能量密度电池体系,但仍然面临着许多问题与挑战，特别是与当前充分商业化的锂电池体系相比较(如磷酸铁锂电池、三元锂电池)，尚在以下问题上存在缺点：由于元素硫本身是非导体，导电性非常差，在添加有限导电剂的状态下，其电子和离子导电性难以提高电池的倍率性能，致使锂硫电池的倍率特性、低温特性和循环性能要远低于普通的磷酸铁锂电池和三元锂电池，这就极大的影响了锂硫电池进入商业化应用的难度和应用领域。
5.目前解决上述问题的主要方式是：
6.1、添加大量具有良好导电性的碳材料；
7.2、活性物质元素硫在导电基质材料上均匀分散，以确保活性物质的高利用率；
8.3、通过增加电解液或者在电解液中添加增加离子扩散性能的添加剂以改善锂硫电池阴极材料的快速溶解、扩散性能，提高在各种工作温度下的离子导电性。
9.研究发现，通过将活性物质硫与活性炭、介孔碳、纳米碳纤维(cnf)、多壁碳纳米管(mwcnts)、石墨烯、聚丙烯腈(pan)、聚苯胺(pan)、聚吡咯(ppy)、聚噻吩(pth)等具有特定结构的基质材料制备硫基复合阴极材料，可以改善锂硫电池的循环性能和倍率性能，但添加量受到锂硫电池体积比能量额限制。
10.研究还发现，通过在电解液中添加氢氟醚离子液体可以促进离子导电性能，进而改善锂硫电池的倍率特性和低温性能。
11.研究进一步发现，在锂硫电池阴极材料中添金属氧化物、金属氮化物、金属硫化物等等，也能在少量添加碳材料的基础上，提高电池的倍率性能和低温循环性能。
12.上述方案可以在一定程度上解决锂硫电池倍率特性，但由于多种碳材料和添加剂
的加入，增大了阴极材料的成本、材料制备复杂性、工艺稳定性和产业化、商品化难度，严重制约了锂硫电池在无人航空器、电动车辆等对倍率特性要求较高的应用市场发展。
13.cn105849965a公开了一种锂硫电池单元及其制备方法，参见图1，其具有改进的循环寿命和能量密度的固态锂硫电池单元100。电池单元100包括负电极102、分隔物104和正电极106。负电极102包含li金属或某一其它li插入材料，其能够可逆地插入li离子和电化学地提取li离子。负电极102在一些实施例中包括集流器(未示出)，诸如铜金属。负电极102使用li金属传导电子到电极和从电极传导电子。正电极106包含硫和/或硫化锂(li2s)的涂覆的形式。在一些实施例中，正电极106包括额外的li插入材料、导电材料(例如，碳片段、石墨和/或碳黑)和固体电解质li传导相(包括可以用于分隔物的那些材料)。正电极106连接到导电的集流器108(例如，al金属)。以上描述的电池单元100(也称为“电池单元夹层”)在一些实施例中是双侧的。换句话说，电池单元100是如下关于al集流器对称的：负电极/分隔物/正电极/正集流器/正电极/分隔物/负电极/(负集流器)，并且堆叠(作为“叠层”)或卷绕(作为“果冻卷(jellyroll)”)以便增加每单位体积的容量。在一些实施例中，电池单元100以双极设计(负电极/分隔物/正电极/正集流器/极板/负电极
…
)堆叠以便增加电池单元电压。该电化学活性体积被封闭在电池单元壳体(未示出)中，其端子线连接到叠层或果冻卷的阳极和阴极。
14.上述结构存在以下问题：
15.1、层叠极片的极耳由极片一端引出，在充电和放电过程中，电流密度在极片中分布不均匀，特别是在高倍率和低温状态下进行充放电时，电流分布的不均匀性导致极片活性物质化学反应的不一致性，势必导致各层极片性能的差异，循环性能会大幅度下降；
16.2、如果极片是垂直于水平方向工作，将导致极片内部活性物质在电解液分布上产生浓差极化现象，同一极片内部自身产生化学变化，导致容量衰减；
17.3、锂硫电池本身单体电压比磷酸铁锂和三元锂电池低，尽管其硫阴极和金属锂阳极构成的电池容量高，但能量密度在电压端有劣势，组成电池包需要更多单体电池的串联和并联，使得锂硫电池理论上的优势打了折扣。
18.进一步，现有锂电池终端应用市场都是依据现有锂电池和其它类型电池电压体系设计的模组。现有锂硫电池单体电池电压低，模组匹配设计不够灵活。


技术实现要素：

19.本实用新型所要解决的技术问题之一在于针对现有技术所存在的不足而提供一种既可以极大的从结构上降低电池内阻，大大提高电池的大电流充电和放电，提高低温特性，降低极化，优化极片活性物质化学反应的一致性，提高电池寿命，同时使得电池可以构成内部串联的高电压锂硫电池体系，从原有单体2.35v，提高到4.7v乃至更高的电压(如235v或更高)的锂硫电池单元。
20.本实用新型所要解决的技术问题之二在于提供一种由若干上述锂硫电池单元层叠的锂硫电池极组。
21.本实用新型所要解决的技术问题之二在于提供一种由上述锂硫电池极组构成的锂硫电池。
22.为了实现上述实用新型目的，作为本实用新型第一方面的锂硫电池单元，为一双
极片结构，其包括以硫元素为主作为电池阴极材料的阴极部分、以金属锂作为阳极材料的阳极部分和阳极连接部分，其中，所述阴极部分和阳极部分采用阴阳极连接部分内部串联起来并且所述阴极部分和阳极部分以平行方式位于所述阴阳极连接部分的两对侧。
23.在本实用新型的一个优选实施例中，所述阴极部分和阳极部分以平行方式对称位于所述阴阳极连接部分的两对侧。
24.在本实用新型的一个优选实施例中，所述阴极部分和阳极部分以水平平行方式对称位于所述阴阳极连接部分的两对侧。
25.在本实用新型的一个优选实施例中，所述阴极部分和所述阳极部分呈形状相同的片状结构。
26.在本实用新型的一个优选实施例中，所述阴极部分由敷碳铝箔和涂敷在敷碳铝箔上的电池阴极材料制成，所述阳极部分采用金属锂制成。
27.在本实用新型的一个优选实施例中，所述电池阴极材料涂敷在纯铝箔或涂碳铝箔的两面上。
28.为了实现上述实用新型目的，作为本实用新型第二方面的锂硫电池极组，其由若干所述的锂硫电池单元、若干正单极片、若干负单极片叠加而成，其中，若干正单极片与若干锂硫电池单元中的阳极部分交错叠加，若干负单极片与若干锂硫电池单元中的阴极部分交错叠加；在每一阴极部分的两面和每一阳极部分的两面均采用隔膜隔离；在每一正单极片远离所述阴阳极连接部分的一端设置有阴极汇流输出端，所有的阴极汇流输出端电连接起来，在每一负单极片远离所述阴阳极连接部分的一端设置有阳极汇流输出端，所有的阳极汇流输出端电连接起来。
29.在本实用新型的一个优选实施例中，每一阴极汇流输出端与每一正单极片临近所述阴阳极连接部分的一端平行设置；每一阳极汇流输出端与每一负单极片临近所述阴阳极连接部分的一端平行设置；所述阴极汇流输出端与所述阳极汇流输出端朝向相反。
30.在本实用新型的一个优选实施例中，每一阴极汇流输出端与每一正单极片临近所述阴阳极连接部分的一端垂直设置；每一阳极汇流输出端与每一负单极片临近所述阴阳极连接部分的一端垂直设置；所述阴极汇流输出端与所述阳极汇流输出端朝向相同。
31.在本实用新型的一个优选实施例中，所有的阴极汇流输出端电连接起来并通过一阴极极耳输出，所有的阳极汇流输出端电连接起来并通过一阳极极耳输出。
32.在本实用新型的一个优选实施例中，所有的阴极汇流输出端通过阴极汇流板电连接起来，所有的阳极汇流输出端通过阳极汇流板电连接起来。
33.在本实用新型的一个优选实施例中，在其中一正单极片的阴极汇流输出端安装有一阴极极耳，在其中一负单极片的阳极汇流输出端安装有一阳极极耳。
34.在本实用新型的一个优选实施例中，所有的正单极片、所有的负单极片形状相同；所述阴极极耳与所述阳极极耳形状相同。
35.在本实用新型的一个优选实施例中，每一正单极片由涂碳铝箔和涂敷在涂碳铝箔两面上的以硫元素为主作为电池阴极材料制成，每一负单极片由金属锂作为阳极材料制成。
36.在本实用新型的一个优选实施例中，所述锂硫电池的阴极侧与阳极侧呈对称结构。
37.由于采用了如上的技术方案，本实用新型采用阴阳极连接部分、阴极部分、阳极部分水平结构的锂硫电池单元结构设计既可以极大的从结构上降低电池内阻，大大提高电池的大电流充电和放电，提高低温特性，降低极化，优化极片活性物质化学反应在整个电池运行寿命期的一致性，提高电池寿命，同时使得电池可以构成内部串联的高电压锂硫电池体系，从原有单体2.35v，提高到4.7v乃至更高的电压(如235v或更高)。
38.本实用新型采用阴阳极连接部分、阴极部分、阳极部分水平结构，保证了阴极部分中的活性物质(多硫化物)在单层极片中没有浓差极化现象，活性物质在充电和放电过程中一致性好，使活性物质电流密度均匀分布，电流成面状传递，内阻最小，提高倍率特性和低温特性；
39.本实用新型采用阴阳极连接部分、阴极部分、阳极部分内部串联可以最简单方式形成高电压产品设计，减少高电压终端系统需要外部均衡和管理模块配置，降低系统成本，提高模组的比能量和比功率。
40.本实用新型的高电压锂硫电池设计使得现有终端市场模组匹配具有很大的灵活性，客户系统不需要做更多改变即可采用锂硫电池替换原有电池，更容易让客户接受。
附图说明
41.图1为cn105849965a公开的固态锂硫电池单元结构示意图。
42.图2为本实用新型实施例1的锂硫电池单元的结构示意图。
43.图3为在本实用新型实施例1的一个锂硫电池单元的阴极部分一面叠加负单极片，在阳极部分一面叠加正单极片的结构示意图。
44.图4为本实用新型实施例1的锂硫电池极组的结构示意图。
45.图5为本实用新型实施例1的正单极片的结构示意图。
46.图6为本实用新型实施例1的负单极片的结构示意图。
47.图7为本实用新型实施例1的阴极极耳和阳极极耳的结构示意图。
48.图8为本实用新型实施例2的锂硫电池单元的结构示意图。
49.图9为本实用新型实施例2的正单极片的结构示意图。
50.图10为本实用新型实施例2的负单极片的结构示意图。
51.图11为在本实用新型实施例2的一个锂硫电池单元的阴极部分一面叠加负单极片，在阳极部分一面叠加正单极片的结构立体示意图。
52.图12为在本实用新型实施例2的一个锂硫电池单元的阴极部分一面叠加负单极片，在阳极部分一面叠加正单极片的结构正视示意图。
53.图13为本实用新型实施例2的锂硫电池的结构立体示意图。
54.图14为本实用新型实施例2的锂硫电池的结构正视示意图。
55.图15为本实用新型实施例2的极耳和阳极极耳的结构示意图。
具体实施方式
56.以下结合附图和具体实施方式来进一步描述本实用新型。
57.实施例1
58.参见图2，图中所示的锂硫电池单元a，为双极片结构，其包括以硫元素作为电池阴
极材料的阴极部分10、以金属锂作为阳极材料的阳极部分20和正阳极连接部分30。结合参见图3和图4，正极阴极部分10和阳极部分20呈形状相同的片状结构。阴极部分10由敷碳铝箔21和涂敷在敷碳铝箔21两面上的电池阴极材料22制成(当然也可以是一面)，阳极部分20采用金属锂制成。
59.继续结合图2，锂硫电池单元的阴极部分10和阳极部分20采用阴阳极连接部分30内部串联起来并且阴极部分10和阳极部分20以水平平行方式位于阴阳极连接部分30的两对侧。
60.锂硫电池单元采用阴阳极连接部分30、阴极部分10、阳极部分20水平结构，保证了阴极部分10中的活性物质硫在电解液中没有浓差极化现象，活性物质在充电和放电过程中一致性好，使活性物质电流密度均匀分布，电流成面状传递，内阻最小，提高倍率特性和低温特性。
61.锂硫电池单元采用阴阳极连接部分30、阴极部分10、阳极部分20内部串联可以最简单方式形成高电压产品设计，减少高电压终端系统需要外部均衡和管理模块配置，降低系统成本，提高模组的比能量和比功率。
62.参见图3和图4，图中所示的锂硫电池极组，其由若干锂硫电池单元a、若干正单极片40、若干负单极片50叠加而成，其中，若干正单极片40与若干锂硫电池单元a中的阳极部分20交错叠加，若干负单极片50与若干锂硫电池单元a中的阴极部分10交错叠加；每一阴极部分10和每一阳极部分20的两面均采用隔膜60隔离；在每一正单极片40远离为阴阳极连接部分30的一端设置有阴极汇流输出端43，每一阴极汇流输出端43与每一正单极片40临近阴阳极连接部分30的一端平行设置,所有的阴极汇流输出端43通过阴极汇流板70电连接起来；在每一负单极片50远离双极片30的一端设置有阳极汇流输出端51，每一阳极汇流输出端51与每一负单极片50临近阴阳极连接部分30的一端平行设置；所有的阳极汇流输出端51通过阳极汇流板80电连接起来。阴极汇流输出端43与阳极汇流输出端51朝向相反。
63.参见图5，每一阴极片40由敷碳铝箔41和涂敷在敷碳铝箔41两面上的以硫元素作为电池阴极材料42制成。参见图6，每一负单极片50由金属锂作为阳极材料制成。
64.在其中一正单极片40的阴极汇流输出端43安装有一阴极极耳100，在其中一阳极汇流输出端51安装有一阳极极耳200。
65.所有的正单极片40、所有的负单极片50形状相同；结合参见图7，阴极极耳100与阳极极耳200形状相同。
66.锂硫电池极组装配好以后，锂硫电池的阴极侧c与阳极侧c呈对称结构。
67.上述锂硫电池是由将上述锂硫电池极组安装在一鼠笼式压力框架中构成。本实用新型采用在水平双极结构的锂硫电池极片成组的外部加上鼠笼式压力框架结构，不依赖于外壳的压力框架设计使电池承受极强的抗振动和抗冲击能力，保证电池单体在充放电反应过程中各个单体装配压力的一致性，特别是在温度变化剧烈和高倍率运行工况条件下，克服膨胀和收缩带来的装配压力变化导致单体电池内阻差异化扩大的现象，从而达到系统运行寿命延长的效果。
68.实施例2
69.参见图8，图中所示的锂硫电池单元a’，为双极片结构，其包括以硫元素作为电池阴极材料的阴极部分10’、以金属锂作为阳极材料的阳极部分20’和正阳极连接部分30’。与
实施例1一样，阴极部分10’和阳极部分20’呈形状相同的片状结构。阴极部分10’由敷碳铝箔和涂敷在敷碳铝箔两面上的电池阴极材料制成(当然也可以是一面)。阳极部分20’采用金属锂制成。
70.继续结合图8，锂硫电池单元的阴极部分10’和阳极部分20’采用阴阳极连接部分30’内部串联起来并且阴极片和阳极片以水平平行方式位于阴阳极连接部分30’的两对侧。
71.锂硫电池单元采用阴阳极连接部分30’、阴极部分10’、阳极部分20’水平结构，保证了阴极部分10’中的活性物质硫在电解液中没有浓差极化现象，活性物质在充电和放电过程中一致性好，使活性物质电流密度均匀分布，电流成面状传递，内阻最小，提高倍率特性和低温特性；
72.锂硫电池单元采用阴阳极连接部分30’、阴极部分10’、阳极部分20’内部串联可以最简单方式形成高电压产品设计，减少高电压终端系统需要外部均衡和管理模块配置，降低系统成本，提高模组的比能量和比功率。
73.参见图9至图14，图中所示的锂硫电池极组，其由若干锂硫电池单元a’、若干阴极汇流片40’、若干阳极汇流片50’叠加而成，其中，若干正单极片40’与若干锂硫电池单元a’中的阳极部分20’交错叠加，若干负单极片50’与若干锂硫电池单元a’中的阴极部分10’交错叠加；每一阴极部分10’的两面和每一阳极部分20’的两面均采用隔膜60’隔离。
74.在每一正单极片40’远离阴阳极连接部分30’的一端设置有阴极汇流输出端43’，每一阴极汇流输出端43’与每一正单极片40’临近阴阳极连接部分30’的一端垂直设置；在每一阳极汇流片50’远离阴阳极连接部分30’的一端设置有阳极汇流输出端51’，每一阳极汇流输出端51’与每一负单极片50’临近正阳极连接部分30’的一端垂直设置；所有的阴极汇流输出端43’与所有的阳极汇流输出端51’朝向相同。
75.每一阴极片40’由敷碳铝箔41’和涂敷在敷碳铝箔41’两面上的以硫元素作为电池阴极材料42’制成。参见图5，每一负单极片50’由金属锂作为阳极材料制成。
76.所有的阴极汇流输出端43’电连接起来，在其中一阴极汇流片40’的阴极汇流输出端43’安装有一阴极极耳100’。所有的阳极汇流输出端51’电连接起来，在其中一阳极汇流片50的阳极汇流输出端51’安装有一阳极极耳200。
77.所有的正单极片40’、所有的负单极片50’形状相同；结合参见图15，阴极极耳100’与阳极极耳200’形状相同。
78.锂硫电池极组装配好以后，锂硫电池的阴极侧c’与阳极侧c’呈对称结构。

技术特征：
1.锂硫电池单元，包括以硫元素作为电池阴极材料的阴极部分、以金属锂作为阳极材料的阳极部分和阴阳极连接部分，其特征在于，所述阴极部分和阳极部分采用正阳极连接部分内部串联起来并且所述阴极部分和阳极部分以平行方式位于所述正阳极连接部分的两对侧。2.如权利要求1所述的锂硫电池单元，其特征在于，所述阴极部分和阳极部分以平行方式对称位于所述正阳极连接部分的两对侧。3.如权利要求1所述的锂硫电池单元，其特征在于，所述阴极部分和阳极部分以水平平行方式对称位于所述阴阳极连接部分的两对侧。4.如权利要求1所述的锂硫电池单元，其特征在于，所述阴极部分和所述阳极部分呈形状相同的片状结构。5.如权利要求1所述的锂硫电池单元，其特征在于，所述阴极部分由敷碳铝箔和涂敷在敷碳铝箔上的电池阴极材料制成。6.如权利要求1所述的锂硫电池单元，其特征在于，所述电池阴极材料涂敷在敷碳铝箔的两面上。7.锂硫电池极组，其由若干权利要求1至6任一项权利要求所述的锂硫电池单元、若干正单极片、若干负单极片叠加而成，其中，若干正单极片与若干锂硫电池单元中的阳极部分交错叠加，若干负单极片与若干锂硫电池单元中的阴极部分交错叠加；每一阴极部分的两面和每一阳极部分的两面均采用阴极隔膜隔离；在每一正单极片远离所述阴阳极连接部分的一端设置有阴极汇流输出端，所有的阴极汇流输出端电连接起来，在每一负单极片远离所述阴阳极连接部分的一端设置有阳极汇流输出端，所有的阳极汇流输出端电连接起来。8.如权利要求7所述的锂硫电池极组，其特征在于，每一阴极汇流输出端与每一正单极片临近所述阴阳极连接部分的一端平行设置；每一阳极汇流输出端与每一负单极片临近所述阴阳极连接部分的一端平行设置；所述阴极汇流输出端与所述阳极汇流输出端朝向相反。9.如权利要求7所述的锂硫电池极组，其特征在于，每一阴极汇流输出端与每一正单极片临近所述阴阳极连接部分的一端垂直设置；每一阳极汇流输出端与每一负单极片临近所述阴阳极连接部分的一端垂直设置；所述阴极汇流输出端与所述阳极汇流输出端朝向相同。10.如权利要求8或9所述的锂硫电池极组，其特征在于，所有的阴极汇流输出端电连接起来并通过一阴极极耳输出，所有的阳极汇流输出端电连接起来并通过一阳极极耳输出。11.如权利要求8或9所述的锂硫电池极组，其特征在于，所有的阴极汇流输出端通过阴极汇流板电连接起来，所有的阳极汇流输出端通过阳极汇流板电连接起来。12.如权利要求10所述的锂硫电池极组，其特征在于，在其中一正单极片的阴极汇流输出端安装有一阴极极耳，在其中一负单极片的阳极汇流输出端安装有一阳极极耳。13.如权利要求12所述的锂硫电池极组，其特征在于，所有的正单极片、所有的负单极片形状相同；所述阴极极耳与所述阳极极耳形状相同。14.如权利要求13所述的锂硫电池极组，其特征在于，所述锂硫电池的阴极侧与阳极侧呈对称结构。15.如权利要求7所述的锂硫电池极组，其特征在于，每一正单极片由敷碳铝箔和涂敷
在敷碳铝箔两面上的以硫元素作为电池阴极材料制成，每一负单极片由金属锂作为阳极材料制成。

技术总结
本实用新型公开了一种锂硫电池单元及锂硫电池极组和锂硫电池，其锂硫电池单元，包括以硫元素作为电池阴极材料的阴极部分、以金属锂作为阳极材料的阳极部分和阴阳极连接部分，其阴极部分和阳极部分采用阴阳极连接部分内部串联起来并且所述阴极部分和阳极部分以平行方式位于所述阴阳极连接部分的两对侧。其锂硫电池极组由若干锂硫电池单元、若干正单极片、若干负单极片叠加而成。本实用新型既可以极大的从结构上降低电池内阻，大大提高电池的大电流充电和放电，提高低温特性，降低极化，优化极片活性物质化学反应的一致性，提高电池寿命，同时使得电池可以构成内部串联的高电压锂硫电池体系。硫电池体系。硫电池体系。


技术研发人员：迟钝 闫俊平 李彦良
受保护的技术使用者：极限材料科技（珠海）有限公司
技术研发日：2023.01.18
技术公布日：2023/7/17